Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi Energiaomavaraisuusilta Imatra, 07.10.2014 Janne Karppanen
Sisältö Toimintaympäristön muutokset kehitystarpeita Älykkäät sähköverkot konsepti ja tärkeimmät osa-alueet Uudenlainen jakelujärjestelmä esimerkkinä pienjännitteinen tasasähkönjakelujärjestelmä LUT Green Campus kampuksen älykäs sähköverkko Toimitusvarmuus, luotettavuus Kilpailukyky, tehokkuus Kestävä kehitys, ilmastonmuutos Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2013, Polkuja vähähiiliseen tulevaisuuteen. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.
Älykkäät sähköverkot Aiheita mediassa Lähteet: YLE:n verkkosivut
Keskeiset infraverkot ja saneeraustarpeet SÄHKÖ (385 000 km, > 10 000 km/a) TELE (+ 40 000 km v. 2015 mennessä) VESI (100 000 km, tarve 1 000 km/a) VIEMÄRI (50 000 km, tarve 900 km/a) KAUKOLÄMPÖ (12 000 km +300-500 km/a) Osuus jakeluverkon puupylväistä 5.0 % 4.5 % 4.0 % 3.5 % 3.0 % 2.5 % 2.0 % 1.5 % 1.0 % 0.5 % 0.0 % 1950 1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 1950 Verkon ikäjakauma 1980 Lohjala, J., 2009, Age Distribution of Wood Poles in Medium-Voltage Networks. Järvi-Suomen Energia Oy. Julkaisematon dokumentti. 2009 MAANTIET (78 000 km, tarve km/a) RAUTATIET (5 900 km, tarve km/a) Lähteet: Maa- ja Metsätalousministeriö, 2008, Vesihuoltoverkostojen nykytila ja saneeraustarve. FCG Planeko Oy. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: http://www.mmm.fi/attachments/vesivarat/5xahdyjgf/yves2008-raportti_300408.pdf Liikenneviraston verkkosivut. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: http://portal.liikennevirasto.fi/sivu/www/f/liikenneverkko Sirola, V-P., 2010, Kaukolämpöverkon lämpöhäviöt - Perusparantamisen ja uudisrakentamisen energiansäästövaikutus. Energiateollisuus. Seminaariesitys. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://energia.fi/sites/default/files/dokumentit/sahkomarkkinat/energiatehokkuus/lu_sirola_ep-topo-seminaari-112010.pdf Energiateollisuuden verkkosivut. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://energia.fi/sahkomarkkinat/sahkoverkko/verkon-rakenne
Sähköverkkoliiketoiminnan valvonta Taloudellinen regulaatio, valvontajakso 2012-2015 Riskien hallinta, pääoman tuotto Vakiokorvaukset (pitkät keskeytykset, > 12 h) 12-24 h, 10 % asiakkaan verkkomaksusta 24-72 h, 25 % asiakkaan verkkomaksusta 72-120 h, 50 % asiakkaan verkkomaksusta > 120 h, 100 % asiakkaan verkkomaksusta Uudet korvausluokat erityisen pitkille keskeytyksille 150 % jos keskeytyspituus > 194 h (8 päivää) 200 % jos keskeytyspituus > 288 h (12 päivää) Enimmäiskorvaus 2000 /keskeytys Sähköalan oma toimitusvarmuuskriteeristö. Esimerkiksi kokonaiskeskeytysaika maaseudulla enintään 6 h/a. Laki keskeytysten maksimipituutta koskien Taajamissa; 6 tuntia Haja-asutusalueilla; 36 tuntia Lähteet: FINLEX,Sähkömarkkinalaki 588/2013. Energiaviraston verkkosivut. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: http://www.energiavirasto.fi/sahkokatkos Keskeytyksestä aiheutuneet kustannukset [ ] 160 000 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000 20 000 0 Partanen et Al., 2012, Sähkönjakelun toimitusvarmuuden parantamiseen sekä sähkökatkojen vaikutusten lieventämiseen tähtäävien toimenpiteiden vaikutusten arviointi. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. 24 h (kompensaatio 25%) 12 h (kompensaatio 10%) 72 h (kompensaatio 50%) 120 h (komp. 100%) 0 h 20 40 60 80 100 120 140 Keskeytyksen pituus [h] Muokattu lähteestä: Lassila, J., 2009, Strategic Development of Electricity Distribution Networks Concepts and Methods. Väitöskirja. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.
Muutoksia sähkönkäytössä Teho E. A. sähkönkäyttökojeiden (esim. LED-lamput) energiatehokkuus B. sähkönkäyttökojeiden määrä K. A. Verkkoyhtiön kannalta haasteellisia muutoksia D1. C. I. J. H. G. B. Verkkoyhtiön kannalta myönteisiä muutoksia D3. D2. Footer F. Energia Energia = Teho x Aika Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2012, Jakeluverkkoyhtiöiden tariffirakenteiden kehitysmahdollisuudet. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. C. energiansäästö elämän asenteena D1. lämpöpumput sähkölämmityskohteessa D2. lämpöpumput muissa kuin sähkölämmityskohteissa D3. sähkön käyttö muulla tavoin lämmityksessä E. sähköautot ; ohjaamaton lataus F. sähköautot ; älykäs lataus G. asiakkaan energiavarastot H. kuorman ohjaus myyjän/aggregaattorin toimesta I. kuorman ohjaus asiakkaan toimesta J. kuorman ohjaus verkkoyhtiön toimesta K. asiakkaiden oma sähkön tuotanto
Muutoksia sähkönkäytössä Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys 1996-2012. Lähde: Suomen lämpöpumppuyhdistys ry, Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys 1996-2012 kappaleina. Viitattu 7.10.2014. Saatavilla: http://www.sulpu.fi/documents/184029/208772/l%c3%a4mp%c3%b6pumppuje n%20kokonaism%c3%a4%c3%a4r%c3%a4n%20kehitys%201996-2012.pdf Lähde: Koch, B., 2012, "The Smart Grid by Siemens, Constant energy in world of constant change". Siemens AG 2012. Viitattu: 7.10.2014. Saatavilla: http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/events/2012/smartgrideuro pe/documents/conference%20presentations/koch/siemens_koch_re newable_integration_v06.pdf
Sähkön kulutus ja tuotanto Sähkön kulutus 300 Sähköntuotanto Power (kw) 200 100 0 Sat Sun Mon Tue Wed Thu Fri Tuotanto = kulutus Time (d) Älykkäät sähköverkot Pyritään eroon teho- ja hintapiikeistä Piikit vaikuttavana tekijänä: - Voimalaitosten nimellistehot ja ajokustannukset - Verkon mitoitus - Häviöt - Häiriöriski Lisää kustannuksia Kannusteita älykkäille sähköverkoille
Toimintaympäristö perussäännöt Tuotanto Perussäännöt Kulutus Perinteiset voimalaitokset Tehotasapaino Tuotanto = kulutus Markkinaperusteinen tuotanto Älymittarit Aurinkosähkö Reserviteho Tuotantolaitoksen irtoaminen, voimajohtoviat Kotitaloudet Tuulipuistot Hajautettu tuotanto Sähköhinta elää voimakkaasti Tuotantotyyppi, lämpötila, vesivarannot,... Huipputeho määrittää tuotannon ja mitoituksen (MW) Säästä huipuissa säästä euroissa Sähköautot Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl20a0500/luennot/smart_grids_at_lut_01_14.pdf Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
Toimintaympäristö kehitystrendejä Tuotanto Trendejä Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Hajautettua tuotantoa Haasteena tehotasapaino Ohjaamatonta tuotantoa Energiatehokkuus Energian säästö ja energian tehokas käyttö Online asiakasrajapinta Mahdollistaa energiaresurssien hyödyntämisen Energiavarastot Sähköautot ja paikalliset energiavarastot Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Hajautettu tuotanto Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl20a0500/luennot/smart_grids_at_lut_01_14.pdf Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
Kysyntäjouston rooli Tuotanto Kysyntäjousto Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Tehotasapaino Ohjattavaa tuotantoa ja kulutusta Reserviteho Myös kuormat joustavat Sähköhinta elää voimakkaasti Optimoidaan käyttö hinnan mukaan Huipputeho määrittää tuotannon ja mitoituksen (MW) Säästetään huipuissa säästetään euroissa Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Hajautettu tuotanto Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl20a0500/luennot/smart_grids_at_lut_01_14.pdf Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
Älykkään sähköverkon ominaisuudet Tuotanto Älykäs sähköverkko Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Hajautettu tuotanto Avoin kaiken tyyppisille ja kokoisille tuotantoyksiköille Kulutuksen ja tuotannon välinen vaikutus, kulutus joustaa Tehokkuus, toimitusvarmuus, luotettavuus Kustannustehokas ratkaisu täyttämään tulevaisuuden vaatimukset Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Teollisuus Muokattu lähteestä: Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
Perinteinen vs. älykäs sähköverkko Muokattu lähteestä: ABB, 2008, When Grids Get Smart ABB s Vision for the Smart Grid. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://www02.abb.com/db/db0003/db002698.nsf/0/23bd705661 c12f6ec12575bb002a5be9/$file/abb+paper+smart+grids+jun e+version.pdf Smart Grid visio 2035; Asiakasnäkökulma - Hallitsen helposti yhdessä sähkön toimittajieni kanssa omaa yksilöllistä nollapäästöistä sähkönkäyttöäni (räätälöitävyys) - Sähkökäyttöni jatkuu verkko- ja tuotantohäiriöidenkin aikana - Saan sähköä ilman yllätyksiä kohtuulliseen hintaan - Tuotan osan tarvitsemastani energiasta, ylijäämän tai alijäämän toimitan markkinoille ja/tai lähiyhteisölle. - On yhteisöjä, jotka elävät energiaomavaraista elämäänsä ilman verkkoyhteyttä. - Käytän huolettomasti sähköautoa kotimaassa ja ulkomailla - Tunnen systeemin luotettavaksi ja turvalliseksi - Ilman päivittäisiä puuhailuja ja aktiivisuutta Muokattu lähteestä: Honkapuro, S., Interaktiivisen asiakasrajapinnan hyödyntäminen energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa ja energiasäästötoimien vaikutus sähköverkkoliiketoimintaan. Seminaariesitys. Viitattu: 07.10.2014. Saatavilla: http://energia.fi/sites/default/files/dokumentit/sahkomarkkinat/energiat ehokkuus/lu_honkapuro inca_101110_uusi.pdf
Asiakasrajapinta Markkinatoimijat Fingrid, Verkkoyhtiöt, Sähkökauppiaat, Aggregaattorit Verkko Energiankäytön ja tehon aktiivinen monitorointi ja ohjaus Ohjaussignaalit, riippuen toimijasta Aktiivinen asiakasrajapinta Informaatiojärjestelmät Energiavarastot Kuormat ohjattavat, ei-ohjattavat Tuotanto Aurinko, tuuli, polttokennot, biokaasu jne. Muokattu lähteestä: Kaipia, T., Partanen, J., Järventausta, P., 2010, Concept of Interactive Customer Gateway. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://webhotel2.tut.fi/units/set/research/inca-public/tiedostot/raportit/inca-concept_report.pdf
Energiavarastot ja käytön optimointi Teho 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EE Sähköautot 400 Ilman sähköautoja Suora lataus yösähköllä 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Optimoitu lataus 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Purku 350 Power [ kw ] 300 250 200 150 Lataus 100 50 Ilta Yö Päivä Ilta 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Muokattu lähteistä: Time 48 [ tuntia minutes ] Lassila et Al., 2012, "Methodology to Analyze the Economic Effects of Electric Cars as Energy Storages," Smart Grid, IEEE Transactions on, vol.3, no.1, pp.506,516, March 2012. Järventausta et Al., 2010, INCA - Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto. VTT.
Pienjännitteinen tasasähkönjakelu Keskijänniteverkko (20 kv) Asiakas 4 Asiakas 3 Tiedonsiirto Vaihtosuuntaus (DCAC) Pienjännitemaakaapeli ±750 VDC AMC95A Asiakas 2 Tasasuuntausasema (ACDC) Valvonta Muokattu lähteestä: Nuutinen et Al., 2014, "Research Site for Low-Voltage Direct Current Distribution in a Utility Network Structure, Functions, and Operation," Smart Grid, IEEE Transactions on, vol.5, no.5, pp.2574,2582, Sept. 2014 Asiakas 1
Pienjännitteinen tasasähkönjakelu esimerkki kaupunkiympäristöstä Tuotantoyksiköitä Kaupunkialue Kiinteistö-DC Tuotantoyksiköitä Julkinen valaistus Varayhteys Taajama-alue Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2010, Tehoelektroniikka sähkönjakelussa Pienjännitteinen tasasähkönjakelu. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto.
Kampuksen älykäs sähköverkko
LUT Green Campus
LUT Green Campus älykäs sähköverkko (luonnos) 20 kw (toiminnassa) Tuulivoimala Sähkö, kaukolämpö ja vesi LOAS Aurinkopaneelit ~ 200 kw (toiminnassa) LUT 30 kwh (testikäytössä) Energiavarasto Energianhallintajärjestelmä Energia Hybridi, Sähköauto Hybridi (4.4 kwh, G2V + V2G, käytössä) Sähköstä kaasuksi Vauhtipyörä Kommunikaatio Superkondensaattori Sähköauto (24 kwh, G2V, käytössä) ~ Satoja kilowatteja ~ Satoja kilowatteja Muokattu lähteestä: Makkonen et Al., Green Campus Smart Grid. NORDAC 2012, Tenth Nordic Conference on Electricity Distribution System Management and Development. Espoo, Finland, 10-11 September 2012
Rakennamme maailmasta sellaista kuin sen pitäisi mielestämme olla. Kiitos! Janne Karppanen Lappeenranta University of Technology etunimi.sukunimi@lut.fi Lappeenranta University of Technology (LUT)